Agrégation concours interne

Section : Sciences Industrielles de l’Ingénieur
Épreuve d'admissibilité
Option sciences industrielles de l'ingénieur et ingénierie mécanique

Support : Mécanisme de pointage d'antenne.

Présentation

Mise en situation générale

Les satellites de télécommunications 

Constituant la 1ère application commerciale de l'ère spatiale, les satellites de télécommunications font l’objet d’une demande croissante à travers le monde, notamment pour communiquer, s’informer et naviguer. Un satellite de télécommunications se décompose en deux parties :
 
• La charge utile qui sert de relais de communication entre stations terriennes. Elle comprend : les antennes et les répéteurs. Un répéteur est constitué d’équipements de télécommunications situés entre l’antenne d’émission et celle de réception.
• La plateforme qui intègre les moyens logistiques indispensables à la mise en oeuvre correcte de la charge utile : sous-systèmes de propulsion, de contrôle d’attitude et d’orbite, d’alimentation électrique, de contrôle thermique, de télécommande et de télémesure.

Contexte industriel

L’aérospatial est un secteur d’activité devenu générique avec les années d’expérience, mais il n’a de cesse de s’adapter à l’évolution des technologies afin de toujours améliorer le confort des utilisateurs. Être le premier en orbite, avoir la constellation la plus grande en nombre ou une constellation évolutive permettant une éventuelle reconfiguration dans le temps, tels sont les enjeux de la compétition mondiale et les défis que tentent de relever les industries spatiales.
C’est dans ce contexte d’innovation qu’en 2021 l’entreprise Thales Alenia Space® a annoncé1 le développement pour son client SES d’un satellite ajustable instantanément à la demande en orbite. L’objectif est qu’il soit redéployable vers d’autres missions et positions orbitales pour répondre à l’évolution future des besoins vidéo et data des clients utilisateurs.

1 Article de presse Thalesgroup du 18/11/2021 : Thales Alenia Space fabriquera les satellites de nouvelle génération Astra 1P et Astra 1Q pour SES

Principe de fonctionnement

Habituellement en orbite géostationnaire à 36 000 km d’altitude, les satellites de télécommunications se déplacent à la même vitesse que la rotation de la Terre et apparaissent fixes au-dessus d’une zone, appelée la zone de couverture. Depuis leur orbite, ils relaient le signal émis par des stations émettrices vers des stations réceptrices.

Antenne à réflecteur parabolique

L’antenne à réflecteur parabolique est constituée d’une antenne placée au foyer du paraboloïde, nommée source primaire.

L’association de cette source primaire et du paraboloïde forme l’antenne à réflecteur.

Chaque réflecteur est stocké et immobilisé contre la paroi du satellite pendant la phase de lancement, pour que l’ensemble puisse prendre place à l’intérieur de la coiffe de la fusée. Une fois le satellite mis à poste sur son orbite, les réflecteurs sont déployés et restent dans cette position jusqu’à la fin de la vie du satellite.

Le mécanisme de pointage

Dans ce sujet, nous nous intéressons à un mécanisme de pointage de la source qui répond au besoin de repositionnement et d’ajustement des antennes dédiées aux stations relais. Des antennes correctement orientées améliorent la largeur de bande et permettent une meilleure communication entre les satellites ou entre les stations terrestres et les satellites, d’où l’importance de mécanismes de pointage performants en précision et en stabilité. La source est montée sur un bras mobile à deux articulations mis en mouvement par des actionneurs électriques rotatifs. 

Fonctions principales de l’actionneur rotatif

Les principales fonctions de l'actionneur rotatif de l'antenne mobile sont :

• F1 : Maintenir la source dans une position fixe ;
• F2 : Déplacer la source à une position avec une vitesse ;
• F3 : Fournir une télémétrie à la plate-forme.

Problématiques 

Les satellites en orbite doivent être orientés de manière à pointer leurs antennes, panneaux solaires et instruments avec une extrême précision.

Comme chaque élément embarqué sur un satellite, les bras mobiles d’antenne sont développés pour répondre à de nombreuses contraintes en lien avec leurs performances mais également avec les exigences liées au lancement et à leur déploiement en orbite. On se propose dans ce sujet :

• de dimensionner les actionneurs en termes de motorisation et de réduction afin de valider les solutions technologiques permettant de satisfaire les exigences de performances fixées par le cahier des charges ;
• d’étudier le comportement de certains éléments de la structure mécanique du point de vue produit-matériau ;
• d’optimiser le processus de réalisation d’éléments de structure dans le cadre d’une industrialisation suite à une demande croissante.

Étude proposée : 

Le sujet comporte 3 parties distinctes (durées conseillées indiquées dans chaque partie) qui peuvent être traitées de façon indépendante. Certaines sous-parties peuvent également être traitées de façon indépendante.

• 1ère partie : Dimensionnement des actionneurs rotatifs et choix technologiques pour garantir la précision et la stabilité du système.
• 2e partie : Étude du comportement de certains éléments de la structure mécanique du point de vue produit-matériau.
• 3e partie : Optimisation du processus de réalisation d’éléments de structure dans le cadre d’une industrialisation.